Highlights•Phosphoproteomics analysis of SARS-CoV-2-infected cells uncovers signaling rewiring•Infection promotes host p38 MAPK cascade activity and shutdown of mitotic kinases•Infection stimulates CK2-containing filopodial protrusions with budding virus•Kinase activity analysis identifies potent antiviral drugs and compoundsSummaryThe causative agent of the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), has infected millions and killed hundreds of thousands of people worldwide, highlighting an urgent need to develop antiviral therapies. Here we present a quantitative mass spectrometry-based phosphoproteomics survey of SARS-CoV-2 infection in Vero E6 cells, revealing dramatic rewiring of phosphorylation on host and viral proteins. SARS-CoV-2 infection promoted casein kinase II (CK2) and p38 MAPK activation, production of diverse cytokines, and shutdown of mitotic kinases, resulting in cell cycle arrest. Infection also stimulated a marked induction of CK2-containing filopodial protrusions possessing budding viral particles. Eighty-seven drugs and compounds were identified by mapping global phosphorylation profiles to dysregulated kinases and pathways. We found pharmacologic inhibition of the p38, CK2, CDK, AXL, and PIKFYVE kinases to possess antiviral efficacy, representing potential COVID-19 therapies.Graphical abstract

The COVID-19 pandemic, caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is a grave threat to public health and the global economy. SARS-CoV-2 is closely related to the more lethal but less transmissible coronaviruses SARS-CoV-1 and Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV). Here, we have carried out comparative viral-human protein-protein interaction and viral protein localization analyses for all three viruses. Subsequent functional genetic screening identified host factors that functionally impinge on coronavirus proliferation, including Tom70, a mitochondrial chaperone protein that interacts with both SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2 ORF9b, an interaction we structurally characterized using cryo-electron microscopy. Combining genetically validated host factors with both COVID-19 patient genetic data and medical billing records identified molecular mechanisms and potential drug treatments that merit further molecular and clinical study.

The emergence of SARS-CoV-2 variants of concern suggests viral adaptation to enhance human-to-human transmission

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) viral proteins interact with the eukaryotic translation machinery, and inhibitors of translation have potent antiviral effects. We found that the drug plitidepsin (aplidin), which has limited clinical approval, possesses antiviral activity (90% inhibitory concentration = 0.88 nM) that is more potent than remdesivir against SARS-CoV-2 in vitro by a factor of 27.5, with limited toxicity in cell culture. Through the use of a drug-resistant mutant, we show that the antiviral activity of plitidepsin against SARS-CoV-2 is mediated through inhibition of the known target eEF1A (eukaryotic translation elongation factor 1A). We demonstrate the in vivo efficacy of plitidepsin treatment in two mouse models of SARS-CoV-2 infection with a reduction of viral replication in the lungs by two orders of magnitude using prophylactic treatment. Our results indicate that plitidepsin is a promising therapeutic candidate for COVID-19.

ABSTRACT A series of SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) have evolved in humans during the COVID-19 pandemic—Alpha, Beta, Gamma, Delta, and Omicron. Here, we used global proteomic and genomic analyses during infection to understand the molecular responses driving VOC evolution. We discovered VOC-specific differences in viral RNA and protein expression levels, including for N, Orf6, and Orf9b, and pinpointed several viral mutations responsible. An analysis of the host response to VOC infection and comprehensive interrogation of altered virus-host protein-protein interactions revealed conserved and divergent regulation of biological pathways. For example, regulation of host translation was highly conserved, consistent with suppression of VOC replication in mice using the translation inhibitor plitidepsin. Conversely, modulation of the host inflammatory response was most divergent, where we found Alpha and Beta, but not Omicron BA.1, antagonized interferon stimulated genes (ISGs), a phenotype that correlated with differing levels of Orf6. Additionally, Delta more strongly upregulated proinflammatory genes compared to other VOCs. Systematic comparison of Omicron subvariants revealed BA.5 to have evolved enhanced ISG and proinflammatory gene suppression that similarly correlated with Orf6 expression, effects not seen in BA.4 due to a mutation that disrupts the Orf6-nuclear pore interaction. Our findings describe how VOCs have evolved to fine-tune viral protein expression and protein-protein interactions to evade both innate and adaptive immune responses, offering a likely explanation for increased transmission in humans. One sentence summary Systematic proteomic and genomic analyses of SARS-CoV-2 variants of concern reveal how variant-specific mutations alter viral gene expression, virus-host protein complexes, and the host response to infection with applications to therapy and future pandemic preparedness.

Abstract Emergence of SARS-CoV-2 variants, including the globally successful B.1.1.7 lineage, suggests viral adaptations to host selective pressures resulting in more efficient transmission. Although much effort has focused on Spike adaptation for viral entry and adaptive immune escape, B.1.1.7 mutations outside Spike likely contribute to enhance transmission. Here we used unbiased abundance proteomics, phosphoproteomics, mRNA sequencing and viral replication assays to show that B.1.1.7 isolates more effectively suppress host innate immune responses in airway epithelial cells. We found that B.1.1.7 isolates have dramatically increased subgenomic RNA and protein levels of Orf9b and Orf6, both known innate immune antagonists. Expression of Orf9b alone suppressed the innate immune response through interaction with TOM70, a mitochondrial protein required for RNA sensing adaptor MAVS activation, and Orf9b binding and activity was regulated via phosphorylation. We conclude that B.1.1.7 has evolved beyond the Spike coding region to more effectively antagonise host innate immune responses through upregulation of specific subgenomic RNA synthesis and increased protein expression of key innate immune antagonists. We propose that more effective innate immune antagonism increases the likelihood of successful B.1.1.7 transmission, and may increase in vivo replication and duration of infection.